共通テスト情報Ⅰ・3-12

CPUとメモリの動作の一問一答

共通テスト「情報Ⅰ」の「デジタル化とコンピュータ」から、CPUとメモリの動作に関する4択問題を10問。「答えと解説を見る」を開くと、正解とその理由がその場で読めます。会員登録は不要です。

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問題

上から順に解いてみてください。答えは各問の下で確認できます。

問13-12・基礎

次の表は、CPUが主記憶にある命令を1つ処理するときの3つの段階を、順不同で示したものである。

段階	行うこと
解読	命令が何をするものかを調べる
実行	命令の内容どおりに計算などを行う
取り出し	主記憶から命令を読み込む

この3つの段階を、処理の基本的な流れの順に並べたものはどれか。

①取り出し→解読→実行
②解読→取り出し→実行
③取り出し→実行→解読
④解読→実行→取り出し

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正解 ①取り出し→解読→実行

解説
正解は「取り出し→解読→実行」。CPUはこの流れを命令ごとに繰り返します。

なぜ
表の「行うこと」を手がかりに考えます。まず主記憶から命令を読み込みます（取り出し）。次に、それが何をする命令かを調べます（解読）。最後に、その内容どおりに計算などを行います（実行）。より細かく「命令の取り出し→解読→データの取り出し→実行」の4段階で説明することもあります。

ひっかけ注意

・「解読→取り出し→実行」…解読と取り出しが逆。読み込む前の命令は中身が分からないため、解読はできない。取り出しは、プログラムカウンタが示す番地の命令を読む段階。
・「取り出し→実行→解読」…実行と解読が逆。足し算か転送かなどが分からないまま実行はできないため、解読は必ず実行の前に行う。
・「解読→実行→取り出し」…最初に命令を取り出さなければ、解読も実行もできません。1つの命令が終わると、次の命令の取り出しに戻ります。

問23-12・標準

高水準言語で書いたプログラム（ソースプログラム）を実行するときの、コンパイラとインタプリタの違いの説明として最も適切なものはどれか。

①コンパイラは読みながら実行し、インタプリタは実行前にまとめて機械語などに翻訳する
②コンパイラは実行前にまとめて機械語などに翻訳し、インタプリタは読みながら実行する
③コンパイラはOSの中心部分として働き、インタプリタは利用者のコマンドをOSに伝える
④コンパイラは記号の命令を機械語に置き換え、インタプリタは機械語を直接実行する

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正解 ②コンパイラは実行前にまとめて機械語などに翻訳し、インタプリタは読みながら実行する

解説
正解は「コンパイラは実行前にまとめて機械語などに翻訳し、インタプリタは読みながら実行する」。どちらも、人が書いたプログラムをCPUで動かすためのソフトウェアです。

なぜ
CPUが直接実行できるのは機械語だけです。高水準言語で書いたソースプログラムは、そのままでは動きません。コンパイラは、実行する前にプログラム全体を機械語などの目的プログラムに翻訳します。インタプリタは、翻訳したファイルを作らず、プログラムを読んで解釈しながら、その場で命令の内容を実行します。インタプリタは、1行ずつ機械語に変換しながら実行するしくみではない点に注意します。

比べる点	コンパイラ	インタプリタ
実行のしかた	実行する前に全体をまとめて翻訳し、できた目的プログラムを実行する	前もって翻訳せず、プログラムを読んで解釈しながら、その場で実行する
できるもの	目的プログラム（機械語など）	翻訳したファイルは作らない

ひっかけ注意

・「コンパイラは読みながら実行し、インタプリタは実行前にまとめて機械語などに翻訳する」…2つの説明が入れ替わっています。実行前にまとめて翻訳するのがコンパイラです。
・「コンパイラはOSの中心部分として働き、インタプリタは利用者のコマンドをOSに伝える」…OSの中心部分はカーネル、利用者のコマンドを解釈してカーネルの機能を呼び出すのはシェル（コマンドインタプリタ）。どちらもOSの一部で、プログラムを機械語に翻訳するソフトではないため当てはまらない。
・「コンパイラは記号の命令を機械語に置き換え、インタプリタは機械語を直接実行する」…ADDのような記号の命令（アセンブリ言語）を、対応する機械語に置き換えるのはアセンブラ。機械語を直接実行するのはCPUで、インタプリタは高水準言語を読みながら実行する場合に使う。

問33-12・基礎

次の記憶装置を、読み書きの速さが速い順に並べたものはどれか。

①キャッシュ＞レジスタ＞主記憶＞補助記憶
②レジスタ＞主記憶＞キャッシュ＞補助記憶
③レジスタ＞キャッシュ＞主記憶＞補助記憶
④主記憶＞キャッシュ＞レジスタ＞補助記憶

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正解 ③レジスタ＞キャッシュ＞主記憶＞補助記憶

解説
正解は「レジスタ＞キャッシュ＞主記憶＞補助記憶」。CPUの中心に近いものほど速く、容量は小さくなります。

なぜ
レジスタはCPUの中にある、計算中の値を入れるごく小さな記憶場所で、いちばん速いです。キャッシュメモリは、CPUと主記憶の速さの差を埋めるために間に置く、速くて小さなメモリです。主記憶（メモリ）はCPUの作業場所です。補助記憶（SSDやハードディスク）は大量に保存できますが、読み書きにいちばん時間がかかります。

ひっかけ注意

・「キャッシュ＞レジスタ＞主記憶＞補助記憶」…レジスタとキャッシュが逆。レジスタはCPUの内部にあり、キャッシュより速い一方、容量はいちばん小さい。
・「レジスタ＞主記憶＞キャッシュ＞補助記憶」…主記憶とキャッシュが逆。キャッシュは主記憶より速いため、よく使うデータの写しを置いて待ち時間を減らす。
・「主記憶＞キャッシュ＞レジスタ＞補助記憶」…上の3つが逆順。CPUに近い順（レジスタ→キャッシュ→主記憶）に速く、遠いほど容量が大きい。

問43-12・標準

図は、レジスタ・キャッシュメモリ・主記憶・補助記憶を、CPUに近い順に上から並べたものである。このように組み合わせて使う記憶階層について、CPUからの近さ・速さ・容量の一般的な傾向として最も適切なものはどれか。

自作の模式図

①CPUに近いものほど速く、容量も大きい
②CPUから遠いものほど速く、容量は小さい
③CPUから遠いものほど速く、容量も大きい
④CPUに近いものほど速く、容量は小さい

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正解 ④CPUに近いものほど速く、容量は小さい

解説
正解は「CPUに近いものほど速く、容量は小さい」。速さと大きな容量の両方を満たす装置は無いため、性質の違う記憶装置を組み合わせて使います。これを記憶階層といいます。

なぜ
図のいちばん上、CPUのすぐそばのレジスタはいちばん速いですが、ごく少ししか入りません。キャッシュメモリにも、速くて小さいものから、やや遅くて大きいものまで段階があります。よく使うデータを速い装置に置き、大量のデータは遅いが大きい補助記憶に置くことで、全体として速く、たくさん保存できるようにしています。

記憶装置	場所	速さ	容量
レジスタ	CPUの中	最も速い	最も小さい
キャッシュメモリ	CPUと主記憶の間	速い	小さい
主記憶	CPUの作業場所	中くらい	中くらい
補助記憶	SSD・ハードディスクなど	最も遅い	最も大きい

ひっかけ注意

・「CPUに近いものほど速く、容量も大きい」…容量の向きが逆。最も近いレジスタは最も速い一方、容量は最も小さい。大容量なのは最も遠い補助記憶。
・「CPUから遠いものほど速く、容量は小さい」…速さも容量も向きが逆。最も遠い補助記憶は、読み書きに時間がかかる一方、大量に保存できる。
・「CPUから遠いものほど速く、容量も大きい」…速さの向きが逆。遠い補助記憶が速くて大きいなら、キャッシュなどを間に置く必要はなくなる。

問53-12・基礎

図は、CPUのクロック信号を模式的に示したもので、同じ形の繰り返し1回分（図の「1クロック」）を1クロックという。クロック周波数が2GHzのCPUで、1クロックにかかる時間はいくらか。ただし、1GHz＝10⁹Hz、1ナノ秒＝10⁻⁹秒とする。

自作の模式図

①0.5ナノ秒
②2ナノ秒
③0.5マイクロ秒
④5ナノ秒

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正解 ①0.5ナノ秒

解説
正解は「0.5ナノ秒」。1クロックの時間は、クロック周波数の逆数（1÷周波数）です。

手順
①2GHzは1秒間に2×10⁹回クロックを刻むこと。図の「1クロック」の形が、1秒間に2×10⁹回繰り返される。
②1クロックは 1÷(2×10⁹)＝0.5×10⁻⁹秒。
③これは0.5ナノ秒。

ひっかけ注意

・「2ナノ秒」…周波数の数値2を、そのまま時間にした値。
・「0.5マイクロ秒」…2GHzを2MHzと取り違えた値。M（メガ）は10⁶、G（ギガ）は10⁹で、1000倍違います。
・「5ナノ秒」…桁を1つ取り違えた値（200MHzの場合）。

問63-12・標準

クロック周波数が2GHzのCPUがある。図は、このCPUで1命令の実行に平均4クロックかかる様子を示したものである。このCPUが1秒間に実行できる命令の数はいくつか。ただし、1GHz＝10⁹Hzとする。

自作の模式図

①20億回
②5億回
③80億回
④0.5億回

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正解 ②5億回

解説
正解は「5億回」。1秒間のクロック数を、1命令に必要なクロック数で割ります。

手順
図のとおり、4クロックで1命令が終わる。①2GHzなので、1秒間のクロック数は 2×10⁹＝20億。
②1命令に4クロックかかるので、20億÷4＝5億回。

ひっかけ注意

・「20億回」…1命令＝1クロックとして計算した値。4で割っていません。
・「80億回」…4で割るところを、4倍してしまった値（20億×4＝80億）。
・「0.5億回」…1GHzを10⁸Hzと、桁を取り違えて計算した値。

問73-12・標準

次の表の条件で、プログラムを実行する。

項目	値
実行する命令の数	10億（10⁹）個
1命令の実行にかかるクロック数	平均2クロック
CPUのクロック周波数	4GHz

実行にかかる時間は何秒か。ただし、1GHz＝10⁹Hzとし、命令の実行以外の時間は考えない。

①0.25秒
②500秒
③0.5秒
④0.125秒

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正解 ③0.5秒

解説
正解は「0.5秒」。必要なクロックの総数を、1秒間のクロック数で割ります。

手順
①表から、必要なクロック数は 10⁹×2＝2×10⁹。
②4GHzは1秒間に4×10⁹クロック。
③2×10⁹÷(4×10⁹)＝0.5秒。

ひっかけ注意

・「0.25秒」…1命令＝1クロックとして計算した値。10⁹÷(4×10⁹)＝0.25で、2を掛け忘れています。
・「500秒」…4GHzを4MHz（4×10⁶Hz）と取り違えた値。G（ギガ）は10⁹、M（メガ）は10⁶です。
・「0.125秒」…1命令あたりのクロック数で、掛けずに割ってしまった値。

問83-12・標準

CPUの命令の実行サイクルのうち、「解読」の段階で行うこととして最も適切なものはどれか。

①次に実行する命令を、主記憶から順に読み込む
②命令に従って演算し、その結果を書き込む
③実行を終えた命令を、補助記憶に書き戻す
④取り出した命令が、何の操作なのかを調べる

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正解 ④取り出した命令が、何の操作なのかを調べる

解説
正解は「取り出した命令が、何の操作なのかを調べる」。解読は、取り出しと実行の間にある段階です。

なぜ
命令は0と1の並び（機械語）です。CPUはそれを読み解いて、足し算なのか、データを移すのかなどを判断します。そのあとで実行に移ります。

ひっかけ注意

・「次に実行する命令を、主記憶から順に読み込む」…取り出しの段階（1番目）。プログラムカウンタが示す番地から命令を読み込み、命令レジスタに入れる。
・「命令に従って演算し、その結果を書き込む」…実行の段階。解読が終わったときに、分かった操作を演算装置などが行い、結果をレジスタや主記憶に書き込む。
・「実行を終えた命令を、補助記憶に書き戻す」…実行サイクルに無い段階。命令は主記憶に置かれたまま使われ、1つ終わると次の命令の取り出しにもどる。

問93-12・標準

図は、CPUと主記憶の様子である。CPU内部のレジスタのうち、図の「？」のように、次に実行する命令が主記憶のどの番地にあるか（この図では101番地）を保持するものはどれか。

自作の模式図

①プログラムカウンタ
②命令レジスタ
③アキュムレータ
④キャッシュメモリ

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正解 ①プログラムカウンタ

解説
正解は「プログラムカウンタ」。命令アドレスレジスタともいいます。

なぜ
図では「？」が101を保持しているので、次は101番地の命令Bを取り出します。CPUは、プログラムカウンタが示す番地から命令を取り出します。取り出すたびに、ふつうは次の命令の番地へ進みます。これで命令が順番に実行されます。

ひっかけ注意

・「命令レジスタ」…取り出した命令そのものを入れておくレジスタ。番地を持つプログラムカウンタに対し、こちらは命令の中身を持つ。
・「アキュムレータ」…計算の途中の値や結果を入れておくレジスタ。演算装置が計算するときに使います。
・「キャッシュメモリ」…主記憶のデータの写しを置く、主記憶より速いメモリ。レジスタではなく、レジスタと主記憶の間の階層で、2番目に速い。

問103-12・標準

一般的なパソコンで、補助記憶装置（SSDなど）に保存されたアプリを起動して実行するときの流れとして、最も適切なものはどれか。

①補助記憶に置いたまま、CPUが直接命令を取り出す
②主記憶に読み込み、CPUがそこから命令を取り出す
③レジスタに移し、主記憶を使わずに実行する
④キャッシュに移し、主記憶を使わずに実行する

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正解 ②主記憶に読み込み、CPUがそこから命令を取り出す

解説
正解は「主記憶に読み込み、CPUがそこから命令を取り出す」。主記憶（メモリ）はCPUの作業場所です。

なぜ
補助記憶は大容量ですが、CPUが命令を1つずつ読むには遅すぎます。そこで、実行するプログラムをいったん主記憶に読み込み、CPUはそこから命令を取り出して実行します。

ひっかけ注意

・「補助記憶に置いたまま、CPUが直接命令を取り出す」…一般的なパソコンでは、先に主記憶へ読み込みます。補助記憶は、CPUが命令を1つずつ読むには遅すぎるためです。
・「レジスタに移し、主記憶を使わずに実行する」…レジスタは計算中の値などを入れるごく小さな記憶場所のため、プログラム全体は入らない。
・「キャッシュに移し、主記憶を使わずに実行する」…キャッシュは主記憶の一部の写しを置く場所で、主記憶の代わりではありません。

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